Homo Extensis. توسيع القدرات البشرية أو كيفية الجمع بين الإنسان والروبوت

كما كتبنا سابقًا ، فإن إحدى المجالات ذات الأولوية لعمل مختبرنا هي الهياكل الخارجية الصناعية.

عندما نسمع كلمة الهيكل الخارجي ، فإن صورة روبرت داوني جونيور ترتفع دائمًا أمامنا ، مرتدية درع أيرون مان من الذهب والذهب البنفسجي ، تحلق في الغيوم وتبعثر أعداء البشرية اليسار واليمين.

الهياكل الخارجية الموجودة حاليًا والتي يتم تطويرها اليوم ليست قادرة بعد على رفع حمولات متعددة الأطنان ، والتحليق في الستراتوسفير وتطوير سرعات تفوق سرعة الصوت ، ولكن ربما هذا ليس مطلوبًا منها؟ ..

ما هو الهيكل الخارجي؟

المعيار الدولي ISO 13482: 2014 (ar) الروبوتات والأجهزة الروبوتية - متطلبات السلامة لروبوتات العناية الشخصية تصنف الهياكل الخارجية على أنها مساعدة الروبوتات المرتبطة بجسم الإنسان أثناء الاستخدام ، والتي يشار إليها بشكل شائع باسم روبوتات الملابس. أجرى مختبر أبحاث القوات البرية الوطنية الأمريكية مسحًا بين مطوري ومشغلي الروبوتات حول "الروبوتات المتأنقة" ، اتفق خلالها جميع المستجيبين على ما يلي:

1. هذه أدوات روبوتية يمكن ارتداؤها ، يتم تثبيت عناصرها مباشرة على العامل البشري ؛
2. هذه هي أدوات روبوتية تقوم بتفريغ المشغل جسديًا ، وتوفر له الدعم المادي ، وتزيد من قدراته البدنية.

وبالتالي ، فإن الهيكل الخارجي عبارة عن جهاز ميكانيكي يمكن ارتداؤه (يتم ارتداؤه على شخص) أو حزمة برامج ميكاترونيك مع عناصر الهياكل المجسمة ، مصممة لمضاعفة القدرات المادية للشخص من خلال تكرار ودعم النشاط الحركي لهذا الأخير بشكل متزامن. بالحديث عن مضاعفات القدرات الجسدية ، فإننا نعني ليس فقط "أسرع! فوق! أقوى! "، ولكن أيضًا أكثر صحة وثباتًا وفعالية وكفاءة أكثر صحة. تم تصميم الهيكل الخارجي لمساعدة الناس على التغلب على بعض الحواجز الفسيولوجية الموجودة لديهم ، وبالتالي الجمع بين الذكاء والإبداع والقدرة على التكيف والقدرة على التعلم للعامل البشري مع قوة وتحمل ودقة عامل الروبوت. في هذا القسم ، الهيكل الخارجي هو أيضًا نوع غريب من الروبوتات التعاونية.

تاريخ وتطور الهياكل الخارجية

يمكن اعتبار سلف الهيكل الخارجي ممدودًا. Elastiped - جهاز مصمم لتسهيل المشي والجري والقفز مخصص للاستخدام العسكري. مؤلف هذا الاختراع هو المخترع الروسي Nikolai Aleksandrovich Yagn (1849 - 1905). في نهاية القرن التاسع عشر ، طور وحصل على براءة اختراع عدة تعديلات في الهيكل الخارجي السلبي "Elastiped" .

أول محاولة لتطوير هيكل خارجي للطاقة قام بها متخصصون في شركة جنرال إلكتريك في أوائل الستينيات من القرن العشرين. مشروع يسمى هاردمان بتكليف من وزارة الدفاع الأمريكية. في سياق المشروع ، تم تطوير منصة ذات حافلتين ومناور مع ناقل حركة كهربائي هيدروليكي ، تم تصميمه لتوفير إمكانية رفع حمولة بوزن إجمالي يصل إلى 680 كجم.
Elastiped N. A. Yagna ، رسم

كان العيب الكبير في تصميم الهيكل الخارجي هو الاهتزاز الذي حدث أثناء العملية ، مما تسبب في انقلاب الجهاز بشكل متكرر أثناء الاختبار. لم تجر الاختبارات التي تنطوي على المشغل.
نتيجة لذلك ، ركز البحث على تطوير أحد المتلاعبين في الهيكل الخارجي. على الرغم من حقيقة أن المطورين تمكنوا من تحقيق سعة حمولة مستهدفة تبلغ 750 رطلًا (340 كجم) ، فإن كتلة الجهاز نفسه كانت تقريبًا ثلاثة أرباع طن ، وهو ما يزيد عن ضعف حمولة الحمولة المرفوعة.
لم يكن من الممكن التغلب على عيوب تصميم الجهاز ، ونتيجة لذلك ، في عام 1971 تم إغلاق مشروع هاردمان بسبب عدم وجود آفاق لمزيد من التطوير [https://en.wikipedia.org/wiki/Hardiman]. على اليمين يوجد النموذج الأولي لهاردمان الهيكل الخارجي.

في السبعينيات من القرن الماضي ، ابتكر العالم اليوغوسلافي Miomir Vukobratovich نموذجًا خارجيًا هيكل خارجي مع محرك هوائي ، والذي كان من المفترض أن يساعد الأشخاص المشلولين على الوقوف على أقدامهم. في الثمانينيات ، قدم فوكوبراتوفيتش هيكله الخارجي إلى الاتحاد السوفييتي. اعتمد العلماء الروس والأوروبيون بعد ذلك كأساس لمشروع Vukobratovich عند إنشاء تكنولوجياتهم. لذلك ، في أوائل الثمانينيات ، ظهر هيكل خارجي للأشخاص ذوي الإعاقة من معهد N. N. Priorov المركزي لطب الإصابات وجراحة العظام. ومن المثير للاهتمام ، أن المشروع الروسي الشهير ExoAtlet قام به العلماء الذين درسوا للتو مشروع Vukobratovich في جامعة موسكو الحكومية.


الهيكل الخارجي ل Miomir Vukobratovich

أعاق نقص مصادر الطاقة المدمجة والآمنة ، ونقص مكونات الطاقة الفعالة والضوابط بشكل كبير تطوير الهياكل الخارجية. فقط في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، بدأت تتحقق فكرة إنشاء "بدلة السلطة". على سبيل المثال ، بدأت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة في الولايات المتحدة (DARPA) تطوير الهياكل الخارجية في عام 2001 كجزء من برنامج الهياكل الخارجية لزيادة الأداء البشري. قامت الوكالة بتمويل 50 مليون دولار لمختلف المشاركين من خلال برنامج مدته خمس سنوات. كجزء من البرنامج ، تم تطوير نظام الروبوت القابل للارتداء بالطاقة الذاتية (WEAR) من Sarcos Research من مدينة سولت ليك سيتي ، يوتا ، نتيجة لمزيد من التحسين والتحديث الذي تم تقديم الهيكل الخارجي ذو الحجم الكامل XOS2 من قبل عملاق الدفاع Raytheon (الذي حصل على Sarcos Research في عام 2007 العام) في سبتمبر 2010.
المصدر - تكنولوجيا الجيش

في الوقت الحالي ، أصبحت موضوعات الهيكل الخارجي واحدة من أكثر المجالات تطورًا ديناميكيًا في مجال خدمة الروبوتات ؛ حيث تشارك عشرات المنظمات العلمية والمؤسسات الصناعية في العديد من دول العالم في تطوير مجمعات الهيكل الخارجي الخاصة بها ، بما في ذلك الولايات المتحدة الأمريكية واليابان وإسرائيل وألمانيا والصين وفرنسا ونيوزيلندا والنرويج والمملكة المتحدة وكوريا الجنوبية وإيطاليا وروسيا.

لماذا بالضبط الهيكل الخارجي الصناعي؟

يتيح لنا تحليل التجربة العالمية أن نستنتج أنه في الوقت الحالي هناك ثلاثة مجالات رئيسية لتطبيق وحدات ومجمعات الهيكل الخارجي بناءً عليها:

• الهياكل الخارجية العسكرية.
• إعادة تأهيل الهياكل الخارجية والهيكل الخارجي للتعويض عن عدم تنقل الأشخاص ذوي الإعاقة ؛
• الهياكل الخارجية للاستخدام الصناعي.

اليوم ، يعد اتجاه الهياكل الخارجية الصناعية ذو أهمية كبيرة ، وهناك أسباب عديدة لذلك.

السبب رقم 1: جانب السوق

أصبحت الأدوات الروبوتية القابلة للارتداء المصممة للاستخدام في الإنتاج الصناعي المجال الأسرع نموًا للاستخدام التجاري لتكنولوجيا الهيكل الخارجي.

ديناميات سوق الهيكل الخارجي العالمي في الفترة من 2015 إلى 2017 مع توقعات للفترة 2018-2020. وفقًا لـ IFR


توقعات مجزأة لتطوير سوق الهيكل الخارجي بحلول 2023-2024. استنادًا إلى بحث من Global Markets Insight و Markets & Markets .

يمكن استخدام الهياكل الخارجية للعمل والصناعة في مواقع البناء ، في الأحواض الجافة ، في المصانع والمستودعات وحتى في غرف العمليات الجراحية. يوفر إدخال هذه الأجهزة الحل لثلاث مهام عمل حاسمة:

أ) زيادة إنتاجية العمل والحد من تعقيد عمليات الإنتاج اليدوي ؛

ب) انخفاض حجم المدفوعات الاجتماعية والتعويضات المرتبطة بحدوث إصابات العمل والأمراض المهنية للعاملين في وحدات الإنتاج ؛

ج) توفير دافع إضافي للموظفين ، يتحقق من خلال خلق ظروف عمل أكثر راحة.

في العرض الأخير لجمعية الروبوتات القابلة للارتداء ، وصف الدكتور جوزيف هيت الهياكل الخارجية للإنتاج والبناء بأنها "ثمار منخفضة معلقة" للسوق الخارجي ، وهذا صحيح تمامًا ، لأنه بالمقارنة مع إعادة التأهيل أو الهياكل الخارجية العسكرية ، هناك عدد من المجالات مثل دعاوى القوة الصناعية مزايا مهمة:

أ) دائرة المستهلكين واسعة للغاية ولا تقتصر على مجموعة محددة من المشترين المحتملين ، بالإضافة إلى ذلك ، يشمل الجمهور المستهدف العديد من أكبر الشركات الصناعية ذات المستوى العالي من الملاءة المالية ، والتي ستتمكن في المستقبل من شراء ملايين الهياكل الخارجية الصناعية لعمالهم ؛

ب) حتى الآن ، في هذا المكان ، لا يوجد حتى الآن قادة واضحون وسلطات معترف بها عالميًا ؛

ج) لا توجد حواجز إدارية وتشريعية لدخول السوق ؛

د) متطلبات أداء أكثر ليونة (بالمقارنة ، على سبيل المثال ، مع حلول عسكرية مماثلة) ، وغياب القيود المرتبطة بقاعدة المكون المستخدمة ، نتيجة لذلك ، انخفاض تكلفة التطوير والتصنيع.

السبب # 2: الجانب الاجتماعي

حتى في شركات التصنيع الحديثة عالية التقنية ، كجزء من عمليات الإنتاج ، هناك العديد من العمليات التي يصعب تشغيلها تلقائيًا. وفقًا للمؤسسة الأوروبية لتحسين ظروف المعيشة والعمل ، يقضي ما يصل إلى 64 ٪ من العمال ذوي المهارات العالية ما يقرب من ثلاثة أرباع وقت عملهم في رفع وحمل البضائع المختلفة. يجب على المتخصصين في الإنتاج أن يلجأوا باستمرار إلى استخدام العمل اليدوي ، ونتيجة لذلك يتعرضون لعوامل ضارة تزيد من احتمال الإصابة ، في المقام الأول تطوير أنواع مختلفة من الاضطرابات العضلية الهيكلية ، والتي لا تزال من بين الأمراض المهنية الأكثر شيوعًا في الاتحاد الأوروبي. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة تكلفة الحفاظ على العمال خلال فترات إعاقتهم وانخفاض إنتاجية العمل في المنشأة ككل. وفقا لمؤسسة العمل ، يعاني اليوم حوالي 44 مليون عامل في الاتحاد الأوروبي من تشوهات العضلات والعظام ، والتي تسبب إجماليًا خسائر في الاقتصاد الأوروبي ، تقدر بأكثر من 240 مليار يورو. وهذه ليست سوى دول الاتحاد الأوروبي. [ فان دير فورم ، يوهان ؛ أوسوليفان ، ليونارد ؛ نوجنت ، راشيل. دي لووز ، ميشيل. اعتبارات لتطوير معايير السلامة للهياكل الخارجية الصناعية ].

السبب رقم 3: الجانب التكنولوجي

تعتبر الإكساءات الصناعية أقل حساسية للقيود التكنولوجية التي تتميز بها صناعة الهيكل الخارجي بالكامل.

أ) على عكس الهياكل الخارجية العسكرية المخصصة للاستخدام الميداني والمسيرة في ظروف الاستقلال الذاتي الكامل للطاقة ، فإن الهيكل الخارجي الصناعي في الغالب مخصص للاستخدام في الورش والمستودعات وخطوط الإنتاج وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك ، يتم تقليل متطلبات مصادر الطاقة المستقلة التي تزود وحدات الدفع النشط من exosuits ، علاوة على ذلك ، نظرًا لتوافر الشبكات الكهربائية ، تختفي الحاجة إلى جميع أنواع البطاريات وأنظمة التوليد لمدة ساعة على الإطلاق. هذا ينطبق بشكل خاص على الهياكل الخارجية مع محرك هيدروليكي ، مثل يتجنب الحاجة إلى وضع محطات النفط المتنقلة مباشرة على الهيكل الخارجي ، والذي بدوره يزيل عددًا من الصعوبات المرتبطة بها.

ب) مستوى متطلبات نظام التحكم في الهيكل الخارجي الصناعي أقل بكثير من حل مماثل للاستخدام الطبي أو العسكري. من ناحية ، عامل الهيكل الخارجي هو شخص قادر جسديًا ، مما يعني أنه يمكنه استخدام الأدوات التقنية في عمله مع الأجهزة "التقليدية" وواجهات التحكم ، مثل عصا التحكم ولوحة اللمس وواجهة الصوت وغيرها ، ونتيجة لذلك فهو لا يحتاج إلى معقد للتعلم ومكلف و حلول الواجهة ذات التقنية العالية ، مثل واجهة الكمبيوتر العصبي. من ناحية أخرى ، فإن سرعة ودقة ردود الفعل على إجراء التحكم في الهيكل الخارجي الصناعي ليست حاسمة كما هو الحال في الهيكل الخارجي العسكري ، لأنه في ظروف الأعمال العدائية من اثنين إلى ثلاثة أعشار الثانية من التأخير في التغذية المرتدة يمكن ببساطة أن تكلف حياة المشغل. غالبًا ما تكون شروط استخدام الهياكل الخارجية الصناعية غير حرجة للغاية.

وتجدر الإشارة إلى أن النقاط السابقة لا يجب أن تضللك: مشكلات الطاقة والإدارة المريحة الفعالة والاستخدام الآمن هي حجر الزاوية في صناعة الهيكل الخارجي بالكامل ، والهياكل الخارجية الصناعية ليست بأي حال من الأحوال استثناءًا ، نقول فقط أن مستوى المتطلبات لهذه الجوانب التكنولوجية في هذه الحالة بالذات يمكن أن تكون أقل بكثير ، والتي تعتمد بالطبع ، في جملة أمور ، على ظروف وتفاصيل التطبيق.

تصنيف الهياكل الخارجية الصناعية

من خلال تصميمها ، يمكن تقسيم الهياكل الخارجية الصناعية إلى هياكل خارجية في الجزء العلوي أو السفلي من الجسم ، بالإضافة إلى الهياكل الخارجية كاملة الحجم.

من خلال طبيعة تأثير القوة على السلبي (غير مجهز بحلول القيادة ، يتم تنفيذ الدعم والتفريغ في مثل هذه الحالات من خلال استخدام أنواع مختلفة من المخمدات ، والينابيع ، والأرصدة ، وما إلى ذلك) والنشطة ، والتي يمكن تقسيمها بدورها إلى مجموعات فرعية اعتمادًا على نوع المستخدمة حلول القيادة (الكهروميكانيكية ، الهيدروليكية ، الهوائية ، المدمجة).

يمكن أيضًا تقسيم الهيكل الخارجي النشط إلى مستقل وغير مستقل ، اعتمادًا على هيكل نظام إمدادات الطاقة.

اعتمادا على الغرض منها ، يمكن تقسيم مجمعات الهيكل الخارجي للعمل والصناعة إلى 6 فئات :

• الهياكل الخارجية لحمل الأداة: تتكون هذه الهياكل الخارجية من كتف محمّل بنابض ، رافعة ميكانيكية يتم تركيب أداة العمل عليها. يتم توصيل الذراع بوحدة الهيكل الخارجي للجزء السفلي من الجسم ونظام ثقل الموازنة ، في حين يتم نقل وزن الأداة إلى الأرض. بالنسبة للجزء الأكبر ، تكون الهياكل الخارجية من هذا النوع سلبية ، ومع ذلك ، هناك حلول مماثلة مع محركات الأقراص في الأسفل

.

• كراسي بدون كرسي: هي هياكل خارجية خفيفة يمكن إصلاحها في الوضع الأكثر ملاءمة للمشغل ، مما يقلل من إجهاد وتعب العامل أثناء العمل لفترات طويلة في وضع رأسي أو ثابت (على سبيل المثال ، في وضع شبه القرفصاء).

• الهياكل الخارجية لدعم الظهر: يمكن لهذه الهياكل الخارجية الحفاظ على الوضع المناسب وتقليل الضغط على عضلات الظهر والعمود الفقري عند الإمالة والرفع.

• قفازات Exo: قفازات ميكانيكية يمكنها مساعدة العمال في حمل أدواتهم الثقيلة بإحكام. هناك أيضًا أجهزة ذات تأثير عكسي تساعد العمال الذين يعانون من مشاكل فسيولوجية في الفتحة الطبيعية للنخيل على فتح أصابعهم بقفاز خارجي.

• exosuits كاملة الحجم: قبل عدة سنوات كان يعتقد أن exosuits الثقيلة كاملة الحجم سيتم استخدامها لحل مشاكل الإنتاج. الآن ، تحول معظم المطورين إلى حلول أكثر تخصصًا وتخصصًا للغاية ، ومع ذلك ، تستمر مشروعات الهياكل الخارجية الثقيلة كاملة الحجم في التطور الآن.

• الوحدات الروبوتية المكملة للبشر: الوحدات الخارجية التي توفر للعامل زوجًا ثانيًا من الأيدي. يتم استخدام اثنين أو أكثر من الأذرع الروبوتية المثبتة على المشغل والمثبتة على الجسم لتثبيت الأدوات أو قطع العمل في مكانها.

من يقوم اليوم بتصميم أو تصنيع الهياكل الخارجية الصناعية؟
كوريا الجنوبية
دايو لبناء السفن والهندسة البحرية
شركة هيونداي للسيارات

الولايات المتحدة
Sarcos / raytheon
لوكهيد مارتن
bionicks الأمريكية
شركة Ekso Bionics Holdings، Inc.

اليابان
باناسونيك - Activelink
سايبردين
هوندا
ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة

فرنسا
روبوت جوبيو

نيوزيلندا
Laevo

سويسرا
Noonee AG

إسرائيل
أنظمة Rotbot

روسيا
Exochair

أعد النص ألبرت إيفيموف وإيغور أورلوف من مختبر سبيربنك للروبوتات.